考虑输入饱和的串级连续搅拌反应釜命令滤波离散控制

这是一篇关于串级连续搅拌反应釜,离散控制,输入饱和函数,自适应观测器,事件触发机制,命令滤波反步控制的论文, 主要内容为串级连续搅拌反应釜(cascade continuous stirred tank reactors,CCSTRs)凭借其成本低、换热能力强、操作简单等优点,被广泛应用于众多化工生产过程中。然而CCSTRs系统为具有大时滞性、时变性和不确定性等复杂特性的非线性对象,当CCSTRs系统运行过程中受到外部扰动,导致系统的反应温度、浓度振荡幅度过大或者稳定范围过小,将会降低CCSTRs控制系统的稳定性,甚至会出现系统失控的风险,而传统的控制技术诸如PID(或改进PID)技术难以实现良好的动静态控制性能。因此,有必要为CCSTRs系统设计一种新的实用性强、高效的控制器,从而为企业提高生产效率、提升经济效益提供技术支持。此外,随着科学技术的日渐完善,数字计算机行业迅速发展,而离散控制方法凭借其稳定性好、可实现强等优势在数字计算机领域得到了广泛应用,因为与连续控制方法相比,离散控制通过引入采样的方式更易于描述实际问题,更贴近于实际工程应用。因此,本文针对考虑输入饱和约束的CCSTRs系统,借助模糊自适应反步命令滤波控制技术,基于实际不同的应用场景,分别设计了CCSTRs离散控制器,实现了CCSTRs系统的反应物浓度、温度的跟踪控制。主要研究成果如下:(1)本文以CCSTRs为控制对象,设计了考虑输入饱和的CCSTRs命令滤波离散控制器。利用输入饱和函数将输入信号限制在一定的范围内,提高了系统的控制性能,降低了可实现成本,更贴近于实际应用;借助模糊自适应控制方法和反步法处理系统中存在的非线性项,简化了控制器的设计过程,缩减了系统运行过程中的计算量;结合命令滤波技术和误差补偿机制,规避了虚拟控制函数复杂求差分过程,克服了“因果矛盾”问题,减小乃至消除了静态偏差,提高了系统的控制精度。通过仿真结果验证了本文所提出的控制策略具有更好的控制性能。(2)本文进一步考虑由于系统反应过程中受到各种环境因素的影响诸如外部噪声干扰或湿度等因素导致传感器性能降低和因成本限制温度、浓度传感器无法正常安装等情况,设计了基于观测器并考虑输入饱和的CCSTRs命令滤波离散控制器,通过自适应观测器来实时监测产物和反应物温度、浓度的动静态过程,节约了实现成本,更易于在工程中实现。仿真结果表明了所提出的控制器的优越性。(3)本文同时考虑CCSTRs离散系统中存在的自适应律以及实际控制律频繁更新现象,提出了一种考虑输入饱和的命令滤波事件触发控制新策略。通过在传感器与控制器之间引入事件触发机制,设定触发条件来判断控制信号是否需要更新,从而降低了触发次数,避免了多余信号的传输,减少了控制器的更新频率,降低了计算量,提高了资源的利用率。通过进一步仿真验证了该控制策略是有效可行的,具有一定的实用价值。

离散时间区间二型T-S模糊系统估计问题研究

这是一篇关于离散时间区间二型T-S模糊系统,二次有界,非脆弱观测器,事件触发机制,不可测前提变量的论文, 主要内容为随着自动化技术的飞速发展,在航空航天、通讯、医疗、化工等诸多领域存在着大量的复杂非线性系统。Takagi-Sugeno(简称T-S)模糊系统模型能够通过模糊隶属函数对一系列局部线性子系统进行加权求和来有效地逼近或拟合一大类光滑的复杂非线性系统。区间二型T-S模糊系统模型作为一型T-S模糊系统的扩展,它既能处理非线性,又能通过上下隶属函数处理系统不确定性。另一方面,在诸多工程应用中,设备的实际状态信息往往无法获得,状态估计作为系统重构、状态反馈控制、过程监控和故障诊断问题的研究基础具有重要的理论和现实意义。此外,在实际系统中,由于不可避免的存在未知输入、有界扰动、参数突变等,这些不确定性可能会导致系统状态估计的准确性降低,从而影响系统的综合性能。本研究在区间二型T-S模糊模型框架内,对具有未知输入或有界扰动的不确定离散复杂非线性系统进行状态估计问题研究,改进已有的研究成果,降低状态估计方案的保守性。本文的具体研究问题如下:1.针对具有可测和不可测前提变量的离散时间区间二型T-S模糊系统模型,提出了一种新颖的未知输入函数观测器设计方法。通过构建一个包含未知输入和系统状态的新的增广状态向量,面向具有可测和不可测量前提变量的情况,分别提出了模糊函数观测器来估计这个新状态向量以实现对未知输入和/或系统状态的灵活估计。将观测器设计问题转化为包含观测器增益矩阵的线性矩阵方程的可解性问题,并基于对矩阵秩的分析明确给出模糊函数观测器的存在条件。同时,还给出了观测器增益矩阵的参数化方法,避免了直接求解复杂的Sylvester方程。2.针对存在椭球内有界扰动的区间二型T-S模糊系统,研究了模糊状态观测器设计问题。为了提高观测器对自身潜在的增益参数摄动的鲁棒性,采用非脆弱观测器设计策略来处理增益扰动。同时,引入了事件触发通信机制来缓解网络传输负担。为了解决受有界扰动和事件诱导误差影响下的非脆弱观测器的设计问题,基于多次李雅普诺夫函数提出了新的二次有界定义。在此基础上,面向具有可测和不可测前提变量的模糊系统,提出了一种的新的模糊观测器和事件发生器的协同设计方法。在二次有界框架下,得到了模糊观测器二次有界性和二次稳定性的较低保守条件,并明确给出了估计误差的上界。最终,基于所提出的协同设计方案,利用松弛矩阵的凸优化技术了确定了观测器增益参数和事件发生器参数。3.针对包含可测/不可测前提变量和椭球内有界扰动的离散时间区间二型T-S模糊系统,提出了一种新的模糊观测器和事件发生器的协同设计方法。为了提高观测器对自身潜在的增益参数摄动的鲁棒性,采用非脆弱观测器设计策略来处理随机增益扰动。同时,为了减轻网络传输压力和能量消耗,提出了一种允许在线动态调节阈值的新型自适应事件触发通信机制。为了同时设计模糊观测器和事件发生器参数,采用多次李雅普诺夫函数,提出了随机意义下二次有界的定义。基于这一定义,通过随机稳定性分析技术,得到了观测器较低保守性的可行性条件,从而保证了观测误差系统的随机二次有界性和随机稳定性。利用松弛变量和凸优化技术实现了观测器和事件发生器的参数的协同设计,并明确给出了相应的观测误差上界。

含不稳定子系统的切换正系统的事件触发滤波与观测

这是一篇关于正系统,切换正系统,事件触发机制,不稳定子系统的论文, 主要内容为正系统是一类状态值始终为非负值的控制系统。切换正系统基于正系统理论,由若干个正子系统和一个决定各子系统切换的切换信号组成。大多现存的系统中,信号采样机制往往是基于时间触发的,相对于时间触发机制,事件触发机制可以减少采样频率,从而达到节约资源的效果。在实际应用中,由于存在干扰、未被建模的动态和潜在故障等多种因素,切换正系统中经常会出现不稳定子系统的情况,不稳定子系统的存在已被证明不可避免地影响控制系统的稳定性。另一方面,滤波与观测在控制理论和工程实践中具有重要作用,通过滤波器和观测器的设计,可以提取和估计系统状态和输出信号,从而实现对系统的控制和监测。在切换正系统中,滤波和观测还可以用于处理不稳定子系统的影响,保证整个系统的稳定性。因此,开展含不稳定子系统的切换正系统的事件触发滤波与观测的研究具有重要意义。本文主要研究含不稳定子系统的切换正系统的事件触发滤波与观测问题,具体内容如下:(1)基于事件触发机制,为包含不稳定子系统的切换正系统设计了事件触发滤波器。首先,建立静态的事件触发框架。接着,利用矩阵分解算法设计事件触发滤波器的增益矩阵。然后,构造滤波误差系统。最后,利用线性余正Lyapunov函数方法和线性规划算法得出保证系统正性和稳定性的条件,进而解决含不稳定子系统的切换正系统的事件触发滤波器设计问题。(2)通过扩展扰动观测的技术,设计一个扰动观测器估计来自外部系统的扰动,再将估计的扰动应用到滤波器的设计中。接着基于事件触发机制,使用矩阵分解技术分别设计扰动观测器和滤波器的增益矩阵。最后通过借助线性余正Lyapunov函数和线性规划算法得到保证系统正性及稳定性的条件,进而解决了含不稳定子系统的切换正系统的渐近滤波器设计问题。(3)通过引入一个动态变量,改进静态事件触发进制为自适应事件触发机制,接着提出自适应触发框架,设计了一种更适合正系统的自适应事件触发参数更新条件,然后,利用矩阵分解算法设计观测器的增益矩阵,并构造观测误差系统。最后通过借助Lyapunov函数和线性规划算法得到保证系统正性和稳定性的条件,进而解决了含不稳定子系统的切换正系统的自适应事件触发观测器设计问题。

考虑输入饱和的串级连续搅拌反应釜命令滤波离散控制

这是一篇关于串级连续搅拌反应釜,离散控制,输入饱和函数,自适应观测器,事件触发机制,命令滤波反步控制的论文, 主要内容为串级连续搅拌反应釜(cascade continuous stirred tank reactors,CCSTRs)凭借其成本低、换热能力强、操作简单等优点,被广泛应用于众多化工生产过程中。然而CCSTRs系统为具有大时滞性、时变性和不确定性等复杂特性的非线性对象,当CCSTRs系统运行过程中受到外部扰动,导致系统的反应温度、浓度振荡幅度过大或者稳定范围过小,将会降低CCSTRs控制系统的稳定性,甚至会出现系统失控的风险,而传统的控制技术诸如PID(或改进PID)技术难以实现良好的动静态控制性能。因此,有必要为CCSTRs系统设计一种新的实用性强、高效的控制器,从而为企业提高生产效率、提升经济效益提供技术支持。此外,随着科学技术的日渐完善,数字计算机行业迅速发展,而离散控制方法凭借其稳定性好、可实现强等优势在数字计算机领域得到了广泛应用,因为与连续控制方法相比,离散控制通过引入采样的方式更易于描述实际问题,更贴近于实际工程应用。因此,本文针对考虑输入饱和约束的CCSTRs系统,借助模糊自适应反步命令滤波控制技术,基于实际不同的应用场景,分别设计了CCSTRs离散控制器,实现了CCSTRs系统的反应物浓度、温度的跟踪控制。主要研究成果如下:(1)本文以CCSTRs为控制对象,设计了考虑输入饱和的CCSTRs命令滤波离散控制器。利用输入饱和函数将输入信号限制在一定的范围内,提高了系统的控制性能,降低了可实现成本,更贴近于实际应用;借助模糊自适应控制方法和反步法处理系统中存在的非线性项,简化了控制器的设计过程,缩减了系统运行过程中的计算量;结合命令滤波技术和误差补偿机制,规避了虚拟控制函数复杂求差分过程,克服了“因果矛盾”问题,减小乃至消除了静态偏差,提高了系统的控制精度。通过仿真结果验证了本文所提出的控制策略具有更好的控制性能。(2)本文进一步考虑由于系统反应过程中受到各种环境因素的影响诸如外部噪声干扰或湿度等因素导致传感器性能降低和因成本限制温度、浓度传感器无法正常安装等情况,设计了基于观测器并考虑输入饱和的CCSTRs命令滤波离散控制器,通过自适应观测器来实时监测产物和反应物温度、浓度的动静态过程,节约了实现成本,更易于在工程中实现。仿真结果表明了所提出的控制器的优越性。(3)本文同时考虑CCSTRs离散系统中存在的自适应律以及实际控制律频繁更新现象,提出了一种考虑输入饱和的命令滤波事件触发控制新策略。通过在传感器与控制器之间引入事件触发机制,设定触发条件来判断控制信号是否需要更新,从而降低了触发次数,避免了多余信号的传输,减少了控制器的更新频率,降低了计算量,提高了资源的利用率。通过进一步仿真验证了该控制策略是有效可行的,具有一定的实用价值。

基于输入饱和及事件触发机制的奇异Markov跳变系统动态输出反馈控制

这是一篇关于奇异Markov跳变系统,动态输出反馈控制,输入饱和,事件触发机制,线性矩阵不等式的论文, 主要内容为奇异系统由一组耦合的微分代数方程构成,与正常系统相比,能够更广泛地刻画多种复杂动态系统,而且对于动态系统的描述更方便、更精确.另一方面,Markov跳变系统是一类典型的多模态随机系统,它能够很好地描述由于环境突变或设备故障引起的参数或结构变化等现象.具有Markov跳变参数的奇异系统被称为奇异Markov跳变系统,在航空航天、生物工程、网络控制和经济等实际领域有着广泛的应用.在很多实际系统中,系统的状态不能直接量测,无法用状态反馈实现对系统的控制,但是输出反馈可以实现对系统的控制,而动态输出反馈控制具有更好的性能和控制效果.此外,在大多数的实际控制系统中,由于设备的自身物理限制,经常会出现执行器饱和现象.饱和会严重降低闭环系统的性能,甚至导致系统不稳定.同时在当前智能化的潮流下,如何避免宽带受限、资源浪费是学者们研究的重点领域.事件触发传输策略已被证实为节约有限宽带资源的重要工具.因此,针对基于输入饱和及事件触发机制的奇异Markov跳变系统动态输出反馈控制的研究具有重要的理论意义和现实价值.本文通过分析和改进已有的方法和结论,基于Lyapunov-Krasovskii(L-K)泛函理论、Schur补引理、矩阵正交补技术、线性矩阵不等式方法和变量消除技术等,对奇异Markov跳变系统的动态输出反馈控制进行了深入研究.主要研究内容如下:1.针对不确定时变时滞奇异Markov跳变系统,构造一个模态相依的动态输出反馈控制器,通过设计模态时滞均相依的L-K泛函,实现了闭环时滞不确定奇异Markov跳变系统的鲁棒容许性(正则性、无脉冲性和渐近稳定性).此外,利用矩阵正交补技术,将所得非凸充分条件转换为线性矩阵不等式形式的充分条件,方便利用MATLAB进行求解.最后,通过数值算例和石油催化裂化系统验证了所提方案的有效性和实用性.2.针对具有时变时滞的奇异Markov跳变系统,设计一个模态相依的动态输出反馈控制器,构造模态时滞均相依的L-K泛函并借助线性矩阵不等式技术,实现了闭环时滞奇异Markov跳变系统的随机容许性并满足H∞性能水平.此外,利用基于矩阵变换的变量消除技术将所得非凸矩阵不等式转化为线性矩阵不等式,同时获得了动态输出反馈控制器的设计方法.最后,通过直流电机驱动负载模型和数值算例证明了所提方法的有效性和实用性.3.针对具有输入饱和的奇异Markov跳变系统,设计一个模态相依的动态输出反馈控制器并构造一组闭环系统状态的椭球估计域,基于完全已知转移率和部分未知转移率两种情况,获得了闭环奇异Markov跳变系统满足随机容许性和H∞性能指标的新颖条件.此外,建立了一个椭球集不变的线性矩阵不等式条件,并通过求解闭环系统容许意义下这些线性矩阵不等式限制条件的优化问题来确定最大的收敛不变椭球集.最后,通过石油催化裂化系统和数值算例验证了所提方案的有效性和实用性.4.针对奇异Markov跳变系统,基于动态事件触发机制,设计一个模态相依的动态输出反馈控制器,通过奇异值分解技术并构造模态相依的L-K泛函,得到了闭环奇异Markov跳变系统满足随机容许性和H∞性能指标的线性矩阵不等式形式的充分条件,并给出了动态输出反馈控制器的设计方法.最后通过数值算例和直流电机驱动负载模型验证了所得方案的有效性和实用性.

基于输入饱和及事件触发机制的奇异Markov跳变系统动态输出反馈控制

这是一篇关于奇异Markov跳变系统,动态输出反馈控制,输入饱和,事件触发机制,线性矩阵不等式的论文, 主要内容为奇异系统由一组耦合的微分代数方程构成,与正常系统相比,能够更广泛地刻画多种复杂动态系统,而且对于动态系统的描述更方便、更精确.另一方面,Markov跳变系统是一类典型的多模态随机系统,它能够很好地描述由于环境突变或设备故障引起的参数或结构变化等现象.具有Markov跳变参数的奇异系统被称为奇异Markov跳变系统,在航空航天、生物工程、网络控制和经济等实际领域有着广泛的应用.在很多实际系统中,系统的状态不能直接量测,无法用状态反馈实现对系统的控制,但是输出反馈可以实现对系统的控制,而动态输出反馈控制具有更好的性能和控制效果.此外,在大多数的实际控制系统中,由于设备的自身物理限制,经常会出现执行器饱和现象.饱和会严重降低闭环系统的性能,甚至导致系统不稳定.同时在当前智能化的潮流下,如何避免宽带受限、资源浪费是学者们研究的重点领域.事件触发传输策略已被证实为节约有限宽带资源的重要工具.因此,针对基于输入饱和及事件触发机制的奇异Markov跳变系统动态输出反馈控制的研究具有重要的理论意义和现实价值.本文通过分析和改进已有的方法和结论,基于Lyapunov-Krasovskii(L-K)泛函理论、Schur补引理、矩阵正交补技术、线性矩阵不等式方法和变量消除技术等,对奇异Markov跳变系统的动态输出反馈控制进行了深入研究.主要研究内容如下:1.针对不确定时变时滞奇异Markov跳变系统,构造一个模态相依的动态输出反馈控制器,通过设计模态时滞均相依的L-K泛函,实现了闭环时滞不确定奇异Markov跳变系统的鲁棒容许性(正则性、无脉冲性和渐近稳定性).此外,利用矩阵正交补技术,将所得非凸充分条件转换为线性矩阵不等式形式的充分条件,方便利用MATLAB进行求解.最后,通过数值算例和石油催化裂化系统验证了所提方案的有效性和实用性.2.针对具有时变时滞的奇异Markov跳变系统,设计一个模态相依的动态输出反馈控制器,构造模态时滞均相依的L-K泛函并借助线性矩阵不等式技术,实现了闭环时滞奇异Markov跳变系统的随机容许性并满足H∞性能水平.此外,利用基于矩阵变换的变量消除技术将所得非凸矩阵不等式转化为线性矩阵不等式,同时获得了动态输出反馈控制器的设计方法.最后,通过直流电机驱动负载模型和数值算例证明了所提方法的有效性和实用性.3.针对具有输入饱和的奇异Markov跳变系统,设计一个模态相依的动态输出反馈控制器并构造一组闭环系统状态的椭球估计域,基于完全已知转移率和部分未知转移率两种情况,获得了闭环奇异Markov跳变系统满足随机容许性和H∞性能指标的新颖条件.此外,建立了一个椭球集不变的线性矩阵不等式条件,并通过求解闭环系统容许意义下这些线性矩阵不等式限制条件的优化问题来确定最大的收敛不变椭球集.最后,通过石油催化裂化系统和数值算例验证了所提方案的有效性和实用性.4.针对奇异Markov跳变系统,基于动态事件触发机制,设计一个模态相依的动态输出反馈控制器,通过奇异值分解技术并构造模态相依的L-K泛函,得到了闭环奇异Markov跳变系统满足随机容许性和H∞性能指标的线性矩阵不等式形式的充分条件,并给出了动态输出反馈控制器的设计方法.最后通过数值算例和直流电机驱动负载模型验证了所得方案的有效性和实用性.

网络化控制系统的故障估计与补偿研究

这是一篇关于故障估计与补偿,网络化控制系统,中间变量,事件触发机制,拒绝服务攻击的论文, 主要内容为随着对实际工业过程控制系统的安全性和可靠性要求的提高,对系统故障方面的研究受到人们的越来越多的关注。其中,采用故障估计和补偿提高系统的稳定性和可靠性是行之有效的方法,已经得到广泛而深入的研究,并且近年来已成为研究热点。通过故障估计,故障信号可以及时被发现,并能给出它的大小。因为基于观测器的故障估计方法易于实现,在理论和工程上得到了广泛的研究和应用。在故障估计工作的基础上,设计控制器,可以补偿故障对系统的影响,增强系统的鲁棒性与稳定性。近年来,尽管一些在故障估计和补偿方面的研究取得了一些成果,目前常用设计方法中的困难限制了它们的应用,如实时信号传输和处理和对系统的许多限制等。网络化控制系统由于其各方面的优点,相关的研究和应用越来越广泛,其中对网络化控制系统的故障估计和补偿的相关研究也越来越火热。网络化控制系统的通信是通过一个公用的通信网络,过多的数据传输会给带宽有限的网络带来很大的压力,并且越复杂的网络系统越是容易受到来自系统内部故障以及外界的干扰等的影响,从而使系统的稳定性和安全性等方面都会遭到较大的压力。除了考虑未知干扰对网络化控制系统的影响,网络化控制系统还可能遭受拒绝服务网络攻击。网络化控制系统在遭受拒绝服务攻击的情况下,受攻击的系统信道将会丢失传输数据信息的能力,从而降低了该网络化控制系统的稳定性,严重的话甚至会导致系统崩溃。这种攻击会阻断网络化控制系统的通讯,传统的故障估计与补偿方法很难直接应用于该控制系统中。为了解决上述问题,本文的主要工作如下:1.设计了能够准确观测状态和估计故障的观测器,在其中引入动态事件触发机制来减少冗余数据的传输,并且在设计过程中考虑系统的H∞性能指标,增强系统的鲁棒性。基于所设计的观测器,设计了控制器用于补偿故障可能对系统造成的影响,并且得到了观测器增益矩阵、控制器增益和动态事件触发机制参数数据的协同设计策略。最后通过仿真算例验证了所提方法的有效性。2.现有的很多故障观测器设计方法需要系统满足观测器匹配条件,但是很多实际系统是不满足这一条件的。在上面工作的基础上,引入中间变量,并基于此构建观测器,系统可以不满足观测器匹配条件。考虑到扰动对系统的影响,设计出了能够抵抗扰动的基于中间变量的观测器,所设计的观测器能够准确估计系统状态与系统故障,并且在观测器中引入动态事件触发机制,从而节约了有限的通信资源。之后,在所设计的观测器的基础上,设计控制器,使得系统可以补偿故障造成的影响,并且能够使系统状态收敛。3.针对拒绝服务攻击和未知扰动输入同时存在的网络化控制系统,考虑到拒绝服务攻击会使观测器接收不到相应的信息,严重时可能会使观测器无法准确估计系统状态与系统故障,使得观测误差很大,进而影响到控制器的效果。针对上述问题,引入了切换型故障估计方案,所设计的基于中间变量的观测器观测器能够快速准确地估计系统的状态和故障,控制器在补偿故障影响方面表现出良好的性能。所提出的观测器增益矩阵和控制器增益矩阵的协同设计方案可以保证系统一致最终有界。